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学习GNSS测量定位必备知识.pdf
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18页
。
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第一部分
RTK
八大基础知识
RTK
作为现代化测量中的测绘仪器, 已经非常普及
.RTK
在测量中的优
越性也 是不言而喻。为了能让
RTK
的优越性能在使用中充分的发挥出来,为
了能让
RTK
使用人员能灵活的应用
RTK
,我认为
RTK
使用人员必须了解以下
的基本知识:
?
的概念及组成
?
GPS(GlobalPositioning System)
即全球定位系统,是由美国建立的一
个卫 星导航定位系统,利用该系统,用户可以在全球范围内实现全天候、连
续、实时 的三维导航定位和测速
;
另外,利用该系统,用户还能够进行高精
度的时间传递 和高精度的精密定位。
GPS
计划始于
1973
年,已于
1994
年进入完全运行状态
(FOC[2])
。
GPS
的整 个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:
?
空间部分
GPS
的空间部分是由
24
颗
GPS
工作卫星所组成,这些
GPS
工作卫星共
同组 成了
GPS
卫星星座,其中
21
颗为可用于导航的卫星,
3
颗为活动的备
用卫星。 这
24
颗卫星分布在
6
个倾角为
55
°的轨道上绕地球运行。 卫星
的运行周期约为
12
恒星时。每颗
GPS
工作卫星都发出用于导航定位的信
号。
GPS
用户正是利用这 些信号来进行工作的。
?
控制部分
GPS
的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构
成, 根据其作用的不同, 这些跟踪站又被分为主控站、 监控站和注入站。
主控站有一 个,位于美国克罗拉多
(Colorado)
的法尔孔
(Falcon)
空军基
地, 它的作用是根据 各监控站对
GPS
的观测数据, 计算出卫星的星历和卫
星钟的改正参数等, 并将这 些数据通过注入站注入到卫星中去
;
同时,它
还对卫星进行控制,向卫星发布指 令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫
星,替代失效的工作卫星工作
;
另外, 主控站也具有监控站的功能。 监控
站有五个, 除了主控站外, 其它四个分别位于 夏威夷
(Hawaii)
、阿松森
群岛
(Ascencion)
、迭哥伽西亚
(Diego Garcia)
、卡瓦 加兰
(Kwajalein)
,监控站的作用是接收卫星信号, 监测卫星的工作状态
;
注
入站 有三个,它们分别位于阿松森群岛
(Ascencion)
、迭哥伽西亚
(Diego
Garcia)
、 卡瓦加兰
(Kwajalein)
,注入站的作用是将主控站计算出的卫
星星历和卫星钟的 改正数等注入到卫星中去。
用户部分
GPS
的用户部分由
GPS
接收机、 数据处理软件及相应的用户设备如计算
机气 象仪器等所组成。 它的作用是接收
GPS
卫星所发出的信号, 利用这些
信号进行导 航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的
GPS
系
统。
?
发射的信号
?
GPS
卫星发射两种频率的载波信号, 即频率为的
L1
载波和频率为的
L2
载波, 它们的频率分别是基本频率的
154
倍和
120
倍,它们的波长分别为
和。在
L1
和
L2
上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:
?
C/A
码
C/A
码又被称为粗捕获码,它被调制在
L1
载波上,是
1MHz
的伪随机噪
声码
(PRN
码
)
,其码长为
1023
位
(
周期为
1ms)
。由于每颗卫星的
C/A
码都不一样, 因 此,我们经常用它们的
PRN
号来区分它们。
C/A
码是普通
用户用以测定测站到卫 星间的距离的一种主要的信号。
?
P
码
P
码又被称为精码,它被调制在
L1
和
L2
载波上,是
10MHz
的伪随机噪
声码, 其周期为七天。在实施
AS
时,
P
码与
W
码进行模二相加生成保密的
Y
码,此时, 一般用户无法利用
P
码来进行导航定位。
?
Y
码
见
P
码。
?
导航信息
导航信息被调制在
L1
载波上,其信号频率为
50Hz
,包含有
GPS
卫星的
轨道 参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。 用户一般需要利用此导航信
息来计算 某一时刻
GPS
卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星
历。
?
定位的原理
?
GPS
定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数
据, 采用空间距离后方交会的方法, 确定待测点的位置。 如下图所示, 假
设
t
时刻在 地面待测点上安置
GPS
接收机,可以测定
GPS
信号到达接收机
的时间△
t
,再加 上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四
个方程式:
?
上述四个方程式中待测点坐标
x
、
y
、
z
和
Vto
为未知参数, 其中
di=c
△
ti (i=1
、
2
、
3
、
4)
。
di (i=1
、
2
、
3
、
4)
分别为卫星
1
、卫星
2
、卫星
3
、卫星
4
到接
收机之间 的距离。
△
ti (i=1
、
2
、
3
、
4)
分别为卫星
1
、卫星
2
、卫星
3
、卫星
4
的
信号到达 接收机所经历的时间。
c
为
GPS
信号的传播速度
(
即光速
)
。
四个方程式中各个参数意义如下:
x
、
y
、
z
为待测点坐标的空间直角坐标。
xi
、
yi
、
zi (i=1
、
2
、
3
、
4)
分别为卫星
1
、卫星
2
、卫星
3
、卫星
4
在
t
时刻的空间直角坐标,
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1
、
2
、
3
、
4)
分别为卫星
1
、卫星
2
、卫星
3
、卫星
4
的
卫星钟的 钟差,由卫星星历提供。
Vto
为接收机的钟差。
?
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标
x
、
y
、
z
和接收机的钟差
Vto
。
?
目前
GPS
系统提供的定位精度是优于
10
米,而为得到更高的定位精
度,我 们通常采用差分
GPS
技术:将一台
GPS
接收机安置在基准站上进行观
测。 根据基 准站已知精密坐标, 计算出基准站到卫星的距离改正数, 并由
基准站实时将这一 数据发送出去。 用户接收机在进行
GPS
观测的同时, 也
接收到基准站发出的改正 数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精
度。差分
GPS
分为两大类:伪距 差分和载波相位差分。中国
3S
专业站
?
1.
伪距差分原理
这是应用最广的一种差分。 在基准站上, 观测所有卫星, 根据基准站
已知坐 标和各卫星的坐标, 求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。
再与测得的伪 距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位
精度。这种差分, 能得到米级定位精度,如沿海广泛使用的“信标差分”。
?
2.
载波相位差分原理
载波相位差分技术又称
RTK(Real Time Kinematic)
技术,是实时处
理两个 测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给
用户接收 机,进行求差解算坐标。 载波相位差分可使定位精度达到厘米级。
大量应用于动 态需要高精度位置的领域。
?
定位的误差源
?
我们在利用
GPS
进行定位时, 会受到各种各样因素的影响。 影响
GPS
定位精 度的因素可分为以下四大类:
?
一、与
GPS
卫星有关的因素
政策
美国政府从其国家利益出发, 通过降低广播星历精度
(
技术
)
、在
GPS
基准信 号中加入高频抖动
(
技术
)
等方法,人为降低普通用户利用
GPS
进
行导航定位时的 精度。
2.
卫星星历误差
在进行
GPS
定位时,计算在某时刻
GPS
卫星位置所需的卫星轨道参数是
通过 各种类型的星历提供的, 但不论采用哪种类型的星历, 所计算出的卫
星位置都会 与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。
3.
卫星钟差
卫星钟差是
GPS
卫星上所安装的原子钟的钟面时与
GPS
标准时间之间的
误 差。
4.
卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是
GPS
卫星上信号发射天线的标称相位中 心与其真实相位中心之间的差异。
?
二、与传播途径有关的因素
1.
电离层延迟
由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应, 使得
GPS
信号的传播速度
发生 变化,这种变化称为电离层延迟。 电磁波所受电离层折射的影响与电磁
波的频率 以及电磁波传播途径上电子总含量有关。
2.
对流层延迟
由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应, 使得
GPS
信号的传播速度
发生 变化,这种变化称为对流层延迟。 电磁波所受对流层折射的影响与电磁
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